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宇宙探査機ボイジャー1号2号ってとてつもなく遠い場所にいるのになぜ地球に情報を送れるのですか?

電波?は届くのですか?

A 回答 (5件)

こんにちは。


おもしろいご質問ですね。
実のところ、一見、単純なようで、結構奥の深いご質問です。 次のような回答ではいかがでしょう。
ポイントは、「電波は無限に飛んでいく。で、最後は雑音との闘い・・・」

さて、携帯電話にせよ、テレビ、ラジオにせよ電波を使う場合に送信局からある程度離れると電波が弱くなって通信できなくなる実感の場面を経験した方も多いでしょう。 このような場合にしばしば「電波が届かない」という表現が使われますが、実は、ある程度深く電波にかかわる場合、この表現が誤りとして扱われます。 (この場合には、「電波(の強度)が足りない」とか、「電波が十分には届かない」という言い回しならまあ合格なのですが。)
さて、電波の弱くなる理由にもいろいろなものがありますが、基本的なモデル、特に宇宙に電波を飛ばす場合のモデルは単純です。
「自由空間伝搬」と呼ばれ、距離が二倍になると電波の強度※が1/4になるというもの。 いわゆる二乗反比例と呼ばれて遠くなればなるほど電波は弱くなりますが、お気づきのとおり、無限に遠くなっても無限に弱くなるだけで 決して「届かなくなる」(届く強さが0になる)わけではありません。
・・・だからこそ、電波天文の世界では100憶年も過去のから飛び続けている電波を受信しています。・・・ (※ 電力面積密度 と言います)

そうなれば、質問者さんも逆の疑問をお持ちになったでしょう。
現代では、「半導体」などを使用して弱い信号を強くする「増幅回路」があり、それを積み重ねるといくらでも「増幅」できる。 それならいくらでも弱い電波でも増幅できるはず・・・なのですが・・・。

実は、電波が弱くなって受信できなくなる理由は、「雑音」に負けるからです。 情報に応じて規則的に変化する電波も、不規則な「雑音電波」に混ざってしまうと、その規則(情報)が取り出せなくなる。
その雑音源は、例えば携帯電話では、不法無線でも電子レンジなどの電子機器も多少の影響はあるものの、もっとも邪魔な雑音源は何と、 自分自身の「増幅器」です。 弱い電波を増幅しようとしたとき、実は増幅器そのものが雑音を持っており、それを付加した信号を出力してしまい、目的とする 信号が弱すぎてその増幅器内の雑音に負けるとき、「電波が足りない」という状況になります。
ボイジャーなども同じ問題を抱えており、次のような技術を使用して微弱な電波が雑音に負けないようにしています。
① パラボラアンテナを大きくする。
 当然ですね。パラボラアンテナを大きくするとより多くの面積に降り注ぐボイジャーからの電波をかき集めて「強く」することができます。  一方で、実は、大きなパラボラアンテナは特定のわずかな領域(方向)の電波だけを集めることになり(指向性と言います)、 方向の制御が難しくなる欠点はあるものの、地上や宇宙の他の方向の星などから来る雑音を除外できます。
② 増幅器を冷やす。
 「増幅器内の雑音が最も邪魔」と書きましたが、その雑音の原因は「熱」です。「熱」は原子の振動であり、増幅器内で原子が振動することで電子の動きが乱れて雑音になりますので、ボイジャーなどの深宇宙の信号受信用の増幅器は絶対零度近くまで冷やしています。 (受信部の写真を見るとそのほとんどが冷凍機です)
③ 何度も通信する。
 「高度な符号化方式」などと言われますが原理的にはけっこうな力業です。 ボイジャーがデジタルの「1」を送信した場合でも雑音に埋もれると受信出力が「1」になったり「0」になったりしてしまうので「通信ができなくなる」のですが、誰かが意図的に「1」を送信しているなら必ず確率には差が出ます。100回送信すれば、49回は0でも51回は1になる・・・。
時間や周波数、符号の配列などを変えて何度も通信を行い、ときにわり算の余りを照合するなどしてその中から信号を拾い出す・・・ボイジャーなどではこの技術を利用して 遠方との通信を実現しています。 (その代わり、とても単純な100文字程度の信号の通信だけで数時間かけたりします。実は携帯電話でも似たような技術を使用しており、 その結果、電波の弱いところではホームページの表示が遅くなったりします)
 
さてさて、いかがでしょうか。
すこししつこくなってしまいましたが、お役に立てば幸いです。
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地上側は、こーんな直径70mもあるパラボラで通信しているのです。


そろそろプルトニウム電池も終わりみたいなので、後数年かな。
「宇宙探査機ボイジャー1号2号ってとてつも」の回答画像4
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1989年海王星接近に際して、地球側のパラボラ型受信アンテナは、直径63メートルから70メートルに改造された。


ボイジャーの電波出力は20ワット。
もともとそんなに高出力でないうえに、海王星から地球に到達するまでに2兆分の一のそのまた1兆分の一に減衰してしまうからである。

現在は原子力電池の出力がかなり低下し20ワットでは送れなくなっている。
しかしボイジャーのプログラムは更新できる。
撮影方法や観測方法、送信方法は、惑星探査の間にも改められてきた。
そうでなければボイジャーを度々襲った修復不可能のトラブルを乗り越えられなかったし、非常に暗い天王星や海王星をあれほどの高品質な画像で撮影できなかった。

地球側の受信システムはさらに大幅に更新できる。
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2025年までは、通信できるとNASAは発表しています。



なんなら、今年の5月にデータはしっかり届いているのにエラーが生じるというトラブルがあり、地球からコマンド送信して解決したりもしています。
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はい。

電波が届きます。
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